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Licence 2 · Algèbre abstraite L2 — Groupes, anneaux et corps

Groupes, sous-groupes et morphismes

Groupes, sous-groupes et morphismes

1. Loi de composition interne

Soit EE un ensemble. Une loi de composition interne sur EE est une application

∗:E×E→E,(x,y)↦x∗y.\ast : E \times E \to E, \qquad (x,y) \mapsto x \ast y.

Autrement dit, c'est une façon de combiner deux éléments de EE pour produire un troisième élément de EE (on dit que EE est stable pour ∗\ast). Exemples : ++ et ×\times sur Z\mathbb{Z}, la composition ∘\circ sur l'ensemble des bijections d'un ensemble.

2. Définition d'un groupe

Un groupe est un couple (G,∗)(G, \ast) où GG est un ensemble et ∗\ast une loi de composition interne sur GG vérifiant :

1. Associativité : pour tout x,y,z∈Gx,y,z \in G, (x∗y)∗z=x∗(y∗z)(x \ast y) \ast z = x \ast (y \ast z).
2. Existence d'un élément neutre : il existe e∈Ge \in G tel que pour tout x∈Gx \in G, e∗x=x∗e=xe \ast x = x \ast e = x.
3. Existence d'un inverse : pour tout x∈Gx \in G, il existe x−1∈Gx^{-1} \in G tel que x∗x−1=x−1∗x=ex \ast x^{-1} = x^{-1} \ast x = e.

Si de plus x∗y=y∗xx \ast y = y \ast x pour tout x,y∈Gx,y \in G, on dit que le groupe est commutatif (ou abélien).

Unicité du neutre et de l'inverse. Le neutre ee est unique : si e′e' vérifie aussi la propriété 2, alors e′=e′∗e=ee' = e' \ast e = e. De même, l'inverse de xx est unique : si yy et zz vérifient x∗y=ex \ast y = e et z∗x=ez \ast x = e, alors z=z∗e=z∗(x∗y)=(z∗x)∗y=e∗y=yz = z \ast e = z \ast (x \ast y) = (z \ast x) \ast y = e \ast y = y.

3. Exemples fondamentaux

- (Z,+)(\mathbb{Z}, +), (Q,+)(\mathbb{Q}, +), (R,+)(\mathbb{R}, +), (C,+)(\mathbb{C}, +) sont des groupes abéliens (neutre 00, inverse de xx : −x-x).
- (Q∗,×)(\mathbb{Q}^*, \times), (R∗,×)(\mathbb{R}^*, \times) sont des groupes abéliens (neutre 11, inverse de xx : 1/x1/x). Attention : (Z,×)(\mathbb{Z}, \times) n'est pas un groupe (les seuls éléments inversibles sont 11 et −1-1).
- (Z/nZ,+)(\mathbb{Z}/n\mathbb{Z}, +) : l'ensemble des classes de congruence modulo nn, muni de l'addition des classes, est un groupe abélien fini à nn éléments. C'est l'exemple de référence des groupes cycliques.
- Le groupe symétrique (Sn,∘)(\mathfrak{S}_n, \circ) : l'ensemble des permutations (bijections) de {1,…,n}\{1, \dots, n\}, muni de la composition. C'est un groupe non commutatif dès que n≥3n \geq 3, de cardinal n!n!.
- Le groupe linéaire GLn(R)GL_n(\mathbb{R}) : l'ensemble des matrices carrées n×nn\times n inversibles, muni de la multiplication matricielle. Neutre : InI_n. Non commutatif dès que n≥2n \geq 2.

4. Sous-groupes

Une partie H⊂GH \subset G est un sous-groupe de (G,∗)(G,\ast) si (H,∗)(H, \ast) est lui-même un groupe, c'est-à-dire si HH est stable pour ∗\ast, contient le neutre, et est stable par passage à l'inverse.

Critère pratique (caractérisation par 3 conditions) : HH est un sous-groupe de GG si et seulement si :
1. H≠∅H \neq \varnothing (en pratique, on vérifie souvent e∈He \in H) ;
2. pour tout x,y∈Hx,y \in H, x∗y∈Hx \ast y \in H (stabilité) ;
3. pour tout x∈Hx \in H, x−1∈Hx^{-1} \in H (stabilité par inverse).

Critère condensé. HH est un sous-groupe de GG si et seulement si H≠∅H \neq \varnothing et pour tout x,y∈Hx,y \in H, x∗y−1∈Hx \ast y^{-1} \in H.

Exemples : nZ={nk:k∈Z}n\mathbb{Z} = \{nk : k \in \mathbb{Z}\} est un sous-groupe de (Z,+)(\mathbb{Z},+) pour tout n∈Nn \in \mathbb{N} ; réciproquement, on montre que tous les sous-groupes de (Z,+)(\mathbb{Z},+) sont de cette forme. Le groupe {In}\{I_n\} et GG lui-même sont toujours des sous-groupes (dits triviaux) de GG.

5. Morphismes de groupes

Soient (G,∗)(G,\ast) et (G′,⋆)(G',\star) deux groupes. Une application f:G→G′f : G \to G' est un morphisme de groupes si pour tout x,y∈Gx,y \in G :

f(x∗y)=f(x)⋆f(y).f(x \ast y) = f(x) \star f(y).

Conséquences immédiates : f(eG)=eG′f(e_G) = e_{G'} et f(x−1)=f(x)−1f(x^{-1}) = f(x)^{-1} pour tout x∈Gx \in G.

On définit :
- le noyau : ker⁡f={x∈G:f(x)=eG′}\ker f = \{x \in G : f(x) = e_{G'}\}, c'est un sous-groupe de GG ;
- l'image : Im f={f(x):x∈G}\text{Im}\, f = \{f(x) : x \in G\}, c'est un sous-groupe de G′G'.

Un morphisme bijectif est appelé isomorphisme : les deux groupes ont alors « la même structure » (même table de multiplication, à renommage des éléments près). Un résultat fondamental : ff est injectif si et seulement si ker⁡f={eG}\ker f = \{e_G\} (si f(x)=f(y)f(x)=f(y) alors f(xy−1)=eG′f(xy^{-1}) = e_{G'} donc xy−1∈ker⁡f={eG}xy^{-1} \in \ker f = \{e_G\}, donc x=yx=y).

Exemple : f:(Z,+)→(Z/nZ,+)f : (\mathbb{Z}, +) \to (\mathbb{Z}/n\mathbb{Z}, +), k↦k‾k \mapsto \overline{k} (classe de kk modulo nn) est un morphisme surjectif de noyau nZn\mathbb{Z}.

Résumé


NotionDéfinition clé
|---|---|




Groupeloi associative, neutre, inverses
Sous-groupee∈He \in H, stable pour ∗\ast et l'inverse
Morphismef(x∗y)=f(x)⋆f(y)f(x\ast y) = f(x)\star f(y)
Noyauker⁡f={x:f(x)=e′}\ker f = \{x : f(x) = e'\}, sous-groupe de GG
Isomorphismemorphisme bijectif

Exercices de la leçon

Exercice 1

Quelles sont les trois propriétés caractérisant un groupe (G,∗)(G, \ast) ?

Corrigé

Un groupe nécessite : associativité de la loi, existence d'un élément neutre, et existence d'un inverse pour chaque élément. La commutativité n'est PAS requise (elle caractérise les groupes abéliens, un cas particulier).

Exercice 2

Vrai ou faux : (Z,×)(\mathbb{Z}, \times) est un groupe.

Corrigé

Faux. Bien que ×\times soit associative et que 11 soit neutre, la plupart des entiers n'ont pas d'inverse dans Z\mathbb{Z} pour la multiplication (par exemple 22 n'a pas d'inverse entier). Seuls 11 et −1-1 sont inversibles dans (Z,×)(\mathbb{Z}, \times).

Exercice 3

Dans un groupe (G,∗)(G, \ast), l'élément neutre est-il unique ?

Corrigé

Vrai. Si ee et e′e' sont deux neutres, alors e′=e′∗e=ee' = e' \ast e = e (en utilisant que ee est neutre à droite pour e′e', puis que e′e' est neutre à gauche pour ee).

Exercice 4

Quel est l'ordre (cardinal) du groupe symétrique S4\mathfrak{S}_4 ?

Corrigé

Le groupe Sn\mathfrak{S}_n des permutations de {1,…,n}\{1,\dots,n\} a pour cardinal n!n! : il y a n!n! bijections de {1,…,n}\{1,\dots,n\} dans lui-même. Pour n=4n=4 : 4!=244! = 24.

Exercice 5

Le groupe S3\mathfrak{S}_3 est-il commutatif ?

Corrigé

Faux. Dès que n≥3n \geq 3, le groupe symétrique Sn\mathfrak{S}_n n'est pas commutatif : par exemple deux transpositions distinctes ne commutent pas en général. C'est l'exemple le plus simple de groupe fini non abélien.

Exercice 6

Montrer que H={z∈C∗:∣z∣=1}H = \{z \in \mathbb{C}^* : |z| = 1\} est un sous-groupe de (C∗,×)(\mathbb{C}^*, \times).

Corrigé

On applique le critère par 3 conditions. (1) H≠∅H \neq \varnothing : 1∈H1 \in H car ∣1∣=1|1|=1. (2) Stabilité : si z,w∈Hz,w \in H, alors ∣zw∣=∣z∣∣w∣=1×1=1|zw| = |z||w| = 1 \times 1 = 1, donc zw∈Hzw \in H. (3) Stabilité par inverse : si z∈Hz \in H, alors ∣1z∣=1∣z∣=1\left|\dfrac{1}{z}\right| = \dfrac{1}{|z|} = 1, donc z−1∈Hz^{-1} \in H. Les trois conditions sont vérifiées : HH est un sous-groupe de (C∗,×)(\mathbb{C}^*,\times) (c'est le cercle unité, souvent noté U\mathbb{U}).

Exercice 7

Soit f:(R,+)→(R+∗,×)f : (\mathbb{R}, +) \to (\mathbb{R}^*_+, \times) définie par f(x)=exf(x) = e^x. Vérifier que ff est un morphisme de groupes et déterminer son noyau.

Corrigé

Pour tout x,y∈Rx,y \in \mathbb{R} : f(x+y)=ex+y=exey=f(x)×f(y)f(x+y) = e^{x+y} = e^x e^y = f(x) \times f(y), ce qui est exactement la propriété de morphisme entre (R,+)(\mathbb{R},+) et (R+∗,×)(\mathbb{R}^*_+,\times). Le noyau est ker⁡f={x∈R:ex=1}={0}\ker f = \{x \in \mathbb{R} : e^x = 1\} = \{0\} (le neutre de (R+∗,×)(\mathbb{R}^*_+,\times) est 11). Comme ker⁡f={0}\ker f = \{0\} (le neutre de (R,+)(\mathbb{R},+)), ff est injectif ; et ff est surjectif (tout réel strictement positif a un logarithme) : c'est donc un isomorphisme, d'inverse ln⁡\ln.

Exercice 8

Quels sont, à l'aide du critère de sous-groupe, les sous-groupes de (Z,+)(\mathbb{Z}, +) ?

Corrigé

Un théorème classique affirme que les sous-groupes de (Z,+)(\mathbb{Z},+) sont exactement les ensembles nZ={nk:k∈Z}n\mathbb{Z} = \{nk : k\in\mathbb{Z}\}, pour n∈Nn \in \mathbb{N} (avec n=0n=0 donnant {0}\{0\} et n=1n=1 donnant Z\mathbb{Z} tout entier). C'est une conséquence de la division euclidienne.

Exercice 9

Soit f:G→G′f : G \to G' un morphisme de groupes. Démontrer que ker⁡f\ker f est un sous-groupe de GG.

Corrigé

On vérifie les 3 conditions. (1) eG∈ker⁡fe_G \in \ker f car tout morphisme envoie le neutre sur le neutre : f(eG)=eG′f(e_G) = e_{G'}. (2) Stabilité : si x,y∈ker⁡fx,y \in \ker f, alors f(xy)=f(x)f(y)=eG′⋅eG′=eG′f(xy) = f(x)f(y) = e_{G'} \cdot e_{G'} = e_{G'}, donc xy∈ker⁡fxy \in \ker f. (3) Stabilité par inverse : si x∈ker⁡fx \in \ker f, alors f(x−1)=f(x)−1=eG′−1=eG′f(x^{-1}) = f(x)^{-1} = e_{G'}^{-1} = e_{G'}, donc x−1∈ker⁡fx^{-1} \in \ker f. Les trois conditions sont vérifiées : ker⁡f\ker f est un sous-groupe de GG. ■\blacksquare

Exercice 10

Dans GL2(R)GL_2(\mathbb{R}), l'ensemble SL2(R)={M∈GL2(R):det⁡(M)=1}SL_2(\mathbb{R}) = \{M \in GL_2(\mathbb{R}) : \det(M) = 1\} est-il un sous-groupe ?

Corrigé

Vrai. I2∈SL2(R)I_2 \in SL_2(\mathbb{R}) car det⁡(I2)=1\det(I_2)=1. Si det⁡(A)=det⁡(B)=1\det(A)=\det(B)=1, alors det⁡(AB)=det⁡(A)det⁡(B)=1\det(AB) = \det(A)\det(B) = 1, donc AB∈SL2(R)AB \in SL_2(\mathbb{R}). Et det⁡(A−1)=1/det⁡(A)=1\det(A^{-1}) = 1/\det(A) = 1, donc A−1∈SL2(R)A^{-1} \in SL_2(\mathbb{R}). C'est le groupe spécial linéaire, sous-groupe de GL2(R)GL_2(\mathbb{R}).

Exercice 11

Soit GG un groupe fini et f:G→G′f : G \to G' un morphisme injectif. Que peut-on dire de ∣Im f∣|\text{Im}\,f| ?

Corrigé

Comme ff est injectif, ff réalise une bijection de GG vers Im f\text{Im}\,f (par définition de l'image, ff est surjectif sur Im f\text{Im}\,f, et il est injectif par hypothèse). Donc ∣Im f∣=∣G∣|\text{Im}\,f| = |G| : GG est isomorphe à son image.

Exercice 12

Démontrer que dans un groupe (G,∗)(G,\ast), l'inverse de x∗yx \ast y est y−1∗x−1y^{-1} \ast x^{-1} (et non x−1∗y−1x^{-1}\ast y^{-1} en général).

Corrigé

On calcule, en utilisant l'associativité : (x∗y)∗(y−1∗x−1)=x∗(y∗y−1)∗x−1=x∗e∗x−1=x∗x−1=e(x \ast y) \ast (y^{-1} \ast x^{-1}) = x \ast (y \ast y^{-1}) \ast x^{-1} = x \ast e \ast x^{-1} = x \ast x^{-1} = e. De même, (y−1∗x−1)∗(x∗y)=y−1∗(x−1∗x)∗y=y−1∗e∗y=y−1∗y=e(y^{-1}\ast x^{-1}) \ast (x \ast y) = y^{-1}\ast(x^{-1}\ast x)\ast y = y^{-1}\ast e \ast y = y^{-1} \ast y = e. Par unicité de l'inverse, (x∗y)−1=y−1∗x−1(x\ast y)^{-1} = y^{-1}\ast x^{-1}. Attention : si le groupe n'est pas commutatif, y−1∗x−1≠x−1∗y−1y^{-1}\ast x^{-1} \neq x^{-1}\ast y^{-1} en général — l'ordre s'inverse, comme pour la transposée d'un produit de matrices (AB)T=BTAT(AB)^T = B^T A^T.

Exercice 13

Soit GG un groupe et H1,H2H_1, H_2 deux sous-groupes de GG. Démontrer que H1∩H2H_1 \cap H_2 est un sous-groupe de GG.

Corrigé

(1) e∈H1e \in H_1 et e∈H2e \in H_2 (ce sont des sous-groupes), donc e∈H1∩H2e \in H_1 \cap H_2 : l'intersection est non vide. (2) Stabilité : si x,y∈H1∩H2x,y \in H_1\cap H_2, alors x,y∈H1x,y \in H_1 donc xy∈H1xy \in H_1 (car H1H_1 sous-groupe) ; de même xy∈H2xy \in H_2. Donc xy∈H1∩H2xy \in H_1\cap H_2. (3) Inverse : si x∈H1∩H2x \in H_1\cap H_2, alors x−1∈H1x^{-1}\in H_1 et x−1∈H2x^{-1}\in H_2 (sous-groupes), donc x−1∈H1∩H2x^{-1} \in H_1\cap H_2. Les trois conditions étant vérifiées, H1∩H2H_1\cap H_2 est un sous-groupe de GG. (Attention : ce résultat est faux pour la réunion H1∪H2H_1\cup H_2 en général.)

Exercice 14

Le groupe (Z/4Z,+)(\mathbb{Z}/4\mathbb{Z}, +) et le sous-groupe {0,2}\{0,2\} de Z/4Z\mathbb{Z}/4\mathbb{Z} : ce sous-groupe est-il isomorphe à Z/2Z\mathbb{Z}/2\mathbb{Z} ?

Corrigé

Vrai. L'application {0,2}→Z/2Z\{0,2\} \to \mathbb{Z}/2\mathbb{Z}, 0↦0‾0 \mapsto \overline{0}, 2↦1‾2 \mapsto \overline{1} est une bijection qui respecte l'addition (2+2=4≡02+2=4\equiv 0 correspond à 1‾+1‾=0‾\overline{1}+\overline{1}=\overline{0}) : c'est un isomorphisme. Tout groupe à 2 éléments est isomorphe à Z/2Z\mathbb{Z}/2\mathbb{Z}, car la table de composition d'un groupe à 2 éléments est entièrement déterminée par les axiomes de groupe.

Exercice 15

Soit f:G→G′f : G \to G' un morphisme de groupes surjectif. Montrer que si GG est abélien, alors G′G' est abélien.

Corrigé

Soient a,b∈G′a,b \in G'. Comme ff est surjectif, il existe x,y∈Gx,y \in G tels que f(x)=af(x)=a et f(y)=bf(y)=b. Alors, en utilisant que ff est un morphisme puis que GG est abélien :

a⋆b=f(x)⋆f(y)=f(x∗y)=f(y∗x)=f(y)⋆f(x)=b⋆a.a\star b = f(x)\star f(y) = f(x\ast y) = f(y\ast x) = f(y)\star f(x) = b \star a.
Donc G′G' est abélien. Remarque : la réciproque est fausse — l'image d'un groupe non abélien par un morphisme surjectif peut être abélienne (par exemple un morphisme vers le groupe trivial).

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